Исследователи из Гарвардского университета разработали кремниевый чип, который синтезирует ДНК новым, более экологичным способом. В отличие от традиционной технологии, устройство использует ферментативный процесс на водной основе, который имитирует природные механизмы. Чип уже смог параллельно создать 64 разные последовательности ДНК, что стало новым достижением для этого метода. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Electronics.
Сегодня синтетическую ДНК, необходимую для медицины, геномной инженерии и научных исследований, производят в основном с помощью фосфорамидитной химии. Этот метод требует применения опасных органических растворителей и специализированных производственных мощностей. Ферментативный синтез считается более безопасной и щадящей альтернативой, так как он проходит в воде. Однако до сих пор таким способом удавалось одновременно получать не более десятка последовательностей.
Новый чип позволил синтезировать 64 различные последовательности ДНК параллельно, каждая длиной до 39 нуклеотидов. На его поверхности расположены 64 ячейки, в центре каждой из которых закреплены молекулы ДНК. Ячейка окружена двумя кольцевыми электродами. При активации внутренний электрод генерирует протоны, создавая локальную кислую среду, что запускает реакцию присоединения следующего нуклеотида. Внешний электрод нейтрализует избыточные протоны, не давая кислой среде распространиться на соседние участки. Повторяя этот цикл, чип независимо выстраивает 64 уникальные цепочки ДНК.
Изначально чип не предназначался для производства ДНК. Команда под руководством профессора Донхи Хама разрабатывала его для нейробиологических исследований – записи электрической активности в больших группах нейронов. Позже ученые изменили конструкцию поверхностных электродов и обнаружили, что та же технология позволяет точно контролировать химические условия для синтеза ДНК.
Помимо потенциального применения в синтетической биологии и медицинской диагностике, технология может быть использована для хранения данных. В качестве эксперимента исследователи закодировали в 64 полученных последовательностях текст объемом 169 байт. Хотя хранение данных на ДНК остается отдаленной перспективой из-за необходимости производить огромные объемы молекул, ферментативный синтез на водной основе может сделать этот процесс более экологичным при масштабировании.
При попытке увеличить плотность ячеек на чипе команда столкнулась с ограничениями. Проблема оказалась не в самом устройстве, которое точно локализовало кислую среду, а в используемой химии. В ходе реакции образуются промежуточные молекулы, которые могут перемещаться к соседним ячейкам и мешать синтезу. Теперь перед учеными стоит задача разработать новый химический процесс, который будет соответствовать возможностям чипа.
